Täckglas till solfångare

Fakulteten för teknik- och naturvetenskap Maskinteknik

Peter Dahlén

Täckglas till Solfångare

Cover glass for solar collectors

Examensarbete 15 poäng Maskiningenjörsprogrammet

Datum/Termin: 2007-06-05

Handledare: Roger Renström Examinator: Nils Hallbäck

Karlstads universitet 651 88 Karlstad Tfn 054-700 10 00 Fax 054-700 14 60 Information@kau.se www.kau.se

FÖRSÄKRAN

Denna rapport är en deluppfyllelse av kraven till högskoleingenjörs- examen på Karlstads universitet.

Allt material i denna rapport som inte är skribentens eget arbete har identifierats och jag försäkrar härmed att rapporten inte innehåller material som använts i en tidigare examen.

Karlstad 2007-06-05

………

Peter Dahlen

Godkänd Ort och datum

………

Handledare: Roger Renström

………

Examinator: Nils Hallbäck

2

Sammanfattning

Detta examensarbete är inriktat på att effektivisera dagens solfångare, och därmed få ut mer av den tillgängliga solenergin.

Målsättningen är att förbättra verkningsgraden på solfångaren som finns på KAU.

Arbetet går ut på att finna ett täckglas som ger solfångaren en bättre verkningsgrad.

Skribenten skall via experiment hitta ett täckglas som har en optimal förmåga att ta tillvara på solenergin.

För att finna ett optimalt täckglas kommer skribenten att jobba med två parametrar. Den ena är solfaktorn och den andra är U-värdet.

Fördelen med hög solfaktor är att man får en hög instrålning av solenergin. Solfaktorn är ett mått på hur mycket av solenergin som transmitteras genom en glaskonstruktion. Fördelen med lågt U-värde är att täckglaset får en god isolerande förmåga mot att släppa ut den

värmeenergin som solfångaren fångat upp. Man kan inte få ett täckglas som både har hög solfaktor och lågt U-värde. Skribentens ide är att finna ett optimalt glas. Glaset skall ha en så hög solfaktor som möjligt, och ett så lågt U-värde som möjligt.

Svar på Målsättningen med detta arbete:

Sommartid: Nej (Oförändrad Verkningsgrad) Vintertid: JA (Förbättrad Verkningsgrad)

3

Abstract

This exam work is focus to streamlining solar collectors that are on the market today. The main purpose whit this is to get out more energy that is available.

The objective of this is also to improve the coefficient of utilization in the solarcollektor that exist on KAU. The purpose is to find a cover glass that gives a better coefficient of utilization.

The writer wills trough experiments find a cover glass that got an optimal ability to capture the sun energy.

To find the optimal cover glass the writer will have to work with two parameters. The first one is the sun factor end the second one is the U-value.

The advantage with a high sun factor is that you get a high inflow of the sun energy. The sun factor is a measurer of how match sun energy that transmission trough a glass construction.

The advantage with a low U-value is that the cover glass get a good ability to isolate, in question of setting the heath energy free that the solar collector has captured. It is impossible to get a cover glass that has both a high sun factor and a low U-value. The writer idea is to find an optimal cover glass. The glass will contain both a high sun factor and a low u-value as may be possible.

Answers to the goal with this project:

Summertime: No (The coefficient of utilization is unchanged) Wintertime: Yes (The coefficient of utilization is improved)

4

Innehållsförteckning

Sammanfattning ... 3

Abstract ... 4

Innehållsförteckning... 5

1.Inledning ... 6

1.1 Problemformulering ... 6

1.2 Syfte ... 6

1.3 Mål och metod beskrivning... 7

1.4 Avgränsning ... 8

2. Metod ... 9

2.1 Teori ... 9

2.1.1 Radiometriska och Fotometriska storheter... 9

2.1.2 Exponeringsmätare... 10

2.1.3 Exponeringsvärde (EV)... 10

2.1.4 Kalibrering av EV mätare ... 11

2.1.5 Pyranometer för mätning av Totala instrålningen... 11

2.1.6 Teoretisk omvandling av EV till instrålning ... 12

2.1.7 Globala strålningen ... 12

2.1.8 Instrålningsvinkel ... 13

2.1.9 Beräkningsteori för framtagande av Verkningsgrad ... 15

2.2 Material ... 17

2.2.1 Täckglaset... 17

2.2.2 Solfångarens övriga delar... 25

2.3 Experiment ... 27

2.3.1 Steg Ett ... 27

2.3.2 Steg Två... 33

3.Resultat... 39

3.1 Vakuumglasets långtidsförvaring... 39

3.2 Solfångarens Verkningsgrad ... 40

4.Diskussion ... 41

4.1 Vakuumglaset... 41

4.2 Tolkning av Ljusmätning av Täckglas ... 42

4.3 Kalibrering vid SMHI,s Solmätningsstation ... 44

4.4 Solfångarens Verkningsgrad ... 45

5.Slutsatser ... 47

6.Tackord ... 48

Källförteckning ... 49

Bilagor... 51

Bilaga 1 Omvandling av EV till Radiometrisk Instrålning ... 51

Bilaga 2 Ljusmätning under täckglas ... 52

Bilaga 3 Temperaturmätning av glas ... 53

Bilaga 4 Solhöjder 16, 23, och 24 maj ... 54

Bilaga 5 SMHI,s uppmätta värden 1 feb 2007 ... 55

5

1.Inledning

1.1 Problemformulering

Ett vanligt villatak tar emot ca fem gånger mer solinstrålning än husets totala

energiförbrukning under ett år [6]. Av detta kan man förstå att vi kan vinna mycket på att försöka nyttja den energi som finns i solinstrålningen. Om vi vill utnyttja all energi som solen ger får vi utveckla ny teknik, men redan i dag kan vi ta tillvara en del av energin. I väntan på helt ny teknik kan man försöka att effektivisera befintlig teknik. Den globala solinstrålningen är summan av direkt solljus och det diffusa ljuset från himmelstrålningen och reflekterat ljus från marken. I Sverige är den årliga globala instrålningen mellan ca 800 kWh/m² i norr till 1000 kWh/m² i söder. Värdena gäller för solinstrålning mot markplanet. En yta som lutar mer vinkelrät mot solen, (exempelvis solfångare) kan ta upp mer av solenergin än den yta som ligger horisontellt.

Sambandet mellan solfångarens temperatur och energiutbytet har paradoxen, (låg temperatur- hög verkningsgrad-många kWh) och (hög temperatur-låg verkningsgrad-färre kWh).

Förklaringen är att absorbatorn strålar ut mer då temperaturen är högre, det blir mindre energi kvar att ta vara på. Ett av problemen med dagens solfångare är att de har för dålig

verkningsgrad vid högre temperaturer.

1.2 Syfte

Arbetet är inriktat på att effektivisera dagens solfångare, och därmed få ut mer av den tillgängliga solenergin.

6

1.3 Mål och metod beskrivning

Arbetet går ut på att finna ett täckglas till solfångaren som har en optimal förmåga att ta tillvara på solenergin. Målsättningen kan delas upp i två steg. Steg ett är bara ett delmål som skall leda till huvudmålet steg två. I steg ett går arbetet ut på att bygga ett stort antal olika glaskonstruktioner i liten skala. Konstruktionerna är allt från enkelglas till isolerglas med flera glasskikt. Glasskivorna som ingår i de olika konstruktionerna varieras internt med olika glassorter. Täckglasen kan varieras i ett stort antal glas med olika egenskaper, men de har en sak gemensamt. De är alla tillskurna i små kvadrater med sidan 30 cm. Orsaken till att de är så små är att det annars skulle gå åt så mycket glas som ändå inte skall användas. Alla dessa småglas skall testas på olika sätt för att få fram några vinnare. De kan sedan gå vidare till steg två och byggas i full skala för att passa i en solfångare. Målet med steg ett är att finna ett glas som släpper in mycket solenergi (solfaktorn) men som även har en god isoleringsförmåga (Lågt U-värde) för att behålla värmen i solfångaren.

För att finna ett optimalt täckglas kommer skribenten att jobba med två parametrar. Den ena är solfaktorn och den andra är U-värdet (se bild 1), (observera att värden högt upp på y- axeln betyder lägre U-värde). Fördelen med hög solfaktor är att man får en hög instrålning av solenergin. Solfaktorn är ett mått på hur mycket av solenergin som transmitteras genom en glaskonstruktion. Fördelen med lågt U-värde är att täckglaset får en god isolerande förmåga mot att släppa ut den värmeenergin som solfångaren fångat upp. Man kan inte få ett täckglas som både har hög solfaktor och lågt U-värde. Skribentens ide är att finna ett optimalt glas.

Glaset skall ha så hög solfaktor och så lågt U-värde som möjligt.

Bild 1 Visar täckglasens Solfaktorer och isoleringsförmågor

7

Dataprogrammet Glas 04 kommer att användas för att finna solfaktor, men även en EV mätare (ljusmätare) kommer att användas då glasprogrammet endast beräknar på glas som är

vinkelräta mot solen. Olika testglas bygges och testas med ljusmätarn hur mycket ljus de filtrerar bort. För att finna U-värdet kommer samma dataprogram att användas, men testning med isoleringsförmågan kommer även att testas med en värmelåda. Testvärdena och analysen av dataprogrammets värden ger en grovsortering för bedömning av vilka glas som går vidare till steg två.

Testvärdena kommer inte att redovisas under resultat. Värdena följer dock med som bilagor.

Endast en av glaskonstruktionenerna från steg ett kommer att redovisas under resultat.

Steg två: I steg två finner vi huvudmålsättningen med detta arbete. Nu har vi från steg ett fått fram några modeller som skall byggas i full skala. De fullskaliga täckglasen monteras i solfångaren som finns på KAU, därefter provkörs solfångaren. Målet är att solfångaren skall få en bättre verkningsgrad med skribentens täckglas. Solfångarens nya verkningsgrad jämförs med den verkningsgrad solfångaren har idag.

1.4 Avgränsning

Endast solfångare av den plana typen kommer att behandlas i detta arbete. Endast täckglaset i solfångaren kommer att byggas och testas

8

2. Metod

2.1 Teori

2.1.1 Radiometriska och Fotometriska storheter

Här nedan följer en del storhets och begreppsförklaringar till både Radiometri och Fotometri.

Solfångaren är främst intresserad av den Radiometriska strålningen. Orsaken till att även Fotometrisk strålning behandlas, är ett en Ljusmätare (Exponeringsmätare EV) kommer att användas Läsaren får förklaringen efter genomgången begreppsexercis.

Radiometri: Storheter som anger ljusstyrkan. [@ 7] och [@ 8]

Fotometri: Storheter som anger hur starkt vi uppfattar ljuset. [@ 7] och [@ 8]

1 Lux ≈ 0,01 [W/m²] ([1] sid-168).

Tabell 1: Vågräta rader visar kopplingen mellan Radiometri och Fotometri [@ 7] [@ 8] samt [@ 3]

Radiometri Fotometri Storhet Enhet Storhet Enhet

Strålningsflöde [Utsänt]

Watt (W) Ljusflöde

[Utsänt]

Lumen (Lm) Irradians (Instrålning)

[Mottaget]

W/m² Belyst yta

[Mottaget]

Belysning (Lumen/m²) (Lux)

Fysikalisk Begreppsexercis (Till Radiometri och Fotometri)

Instrålning, intensitet (S eller I): Den mängd strålningsenergi (UV, synligt ljus, IR) som infaller mot en yta per areaenhet och tidsenhet. W/m² [1] (sid-105)

Direktstrålning: Instrålning direkt från solen. Mätinstrumentet för direktinstrålning kallas pyrheliometer. Den riktas mot solen och fångar inte upp ljuset från himlen. [1] (sid-105) Diffusstrålning: Instrålningen av reflekterat eller spritt ljus. Det ljus (och annan strålning) som kommer från himmel, m,m utgör tillsammans den diffusa instrålningen. [1] (sid-105) Totalinstrålningen: Summan av direkt och diffus instrålning mot en yta, t,ex, en solfångare.

Mätinstrument för totalinstrålningen kallas pyranometer eller solarimeter. [1] (sid-106) Globalinstrålningen: Totalinstrålningen mot en horisontell yta. [1] (sid-106)

Belysning: Det ljusflöde som infaller mot varje ytenhet av en belyst yta. Belysning är vad vi mäter när vi mäter det infallande ljuset mestadels med en exponeringsmätare försedd med opalplastdiffusor, ger. Enhet Lux eller Lm/m². [2] (sid-35)

9

2.1.2 Exponeringsmätare

Den ljusmätare (Fotometri) som kommer att användas kallas exponeringsmätare. Det är ett instrument fotografer använder sig av för att läsa av det ljus som skall exponera filmen, eller CCD-sensorn i kameran. Mätaren ger mätvärdena i (EV), Exponeringsvärde. Mätaren kan även användas till att mäta belysning, [lux].

2.1.3 Exponeringsvärde (EV)

Exponeringsvärdet (EV) är ett värde som kombinerar två värden till ett, bländarvärde samt slutarvärde i en kameran.

I praktiken behöver vi inte ens veta att EV-mätaren används av fotografer, det enda vi behöver veta är hur vi läser av en ljusmätare.

Antag nu att vi har soligt väder (se bild 2), i Radiometri har vi en instrålning på 800 Watt/m² och via Fotometrin mäter vi upp EV = 15.

Ett helt steg upp eller ner betyder en fördubbling, eller en halvering av ljusenergin.

Så i vårt fall skulle EV 14 vara lika med 400 Watt/m², EV 13 ger 200 Watt/m², osv.

EV-mätaren är kalibrerad efter det mänskliga ögat så det exakta Radiometriska värdet kan vi inte få, men vi ser förändringen. Vid 200 W/m² är EV = 0,1 värd ca 15W/m². Vid 400 är 0,1 värd ca 30, och vid 800W/m² är EV steg = 0,1 värd ca 60W/m². EV stegen är linjära, det är inte solinstrålningen [W/m²] och Lux-värdena.

Bild 2 Visar förhållandet mellan solinstrålning och EV värden

10

2.1.4 Kalibrering av EV mätare

Man kan mot en ringa betalning till SMHI få uppmätta strålningsvärden. SMHI har en mätstation i Karlstad, tanken är att i april-maj 2007 låta de mäta upp strålningen en gång i timmen under dagens ljusa tid. Kalibreringen är en extra koll av de två mätare skribenten har tillgång till (EV mätare och KAU,s Pyranometer).

2.1.5 Pyranometer för mätning av Totala instrålningen

På hemsidan [@ 1] samt i [1] finns ett antal olika förslag på hembyggda ljusmätare. Det ena är en pyrheliometer som är stor och klumpig. Den mäter endast direktinstrålningen. Det andra är en solarimeter som visserligen mäter totalinstrålningen och är relativt liten, men startvärdet måste man gissa sig till. Även om man gissar rätt måste den kalibreras om så fort ljusstyrkan ändras lite. Den reagerar också på värme vilket förstör mätvärdena.

På KAU finns en pyranometer den mäter den totala radiometriska strålningen, men då

skribenten även vill mäta under täckglaset är den mindre lämplig för steg ett. Pyranometern är mer skrymmande än EV mätaren. Pyranometern måste även ställas in i våg. Det blir då

problem med att snabbt jämföra mätvärden över och under glasskivan, ett litet slöjmoln kan på ett fåtal sekunder halvera strålningsenergin. Problemet blir då att avgöra om det är molnet eller glasskivan som filtrerar bort strålningen. Skribenten kommer att grovsortera bland de möjliga täckglasen med EV mätaren, för att få fram det täckglas som skall passa KAU,s solfångare. När det slutgiltiga täckglaset skall provkör i solfångaren, steg två då används KAU,s pyranometer. När solfångaren skall provköras med det slutgiltiga glaset, då är KAU,s pyranometer mer värdefull än den SMHI mäter med, för ett slöjmoln över SMHI,s mätpunkt kanske inte skuggar solfångarens plats. Vid testtillfället är ju inte värden under glaset

intressant, glaset är redan färdigtestat. En rangordning ger: KAU,s Pyranometer är viktigast för detta arbete. Därefter kommer EV mätaren, och sist kommer mätvärdena från SMHI.

11

2.1.6 Teoretisk omvandling av EV till instrålning

10

* 2

^{( −2)}

=

^EV

Lux

Enligt källan ( [1] sid-168) så är 1 Lux ≈ 0,01 [W/m²]. Vi kan med hjälp av detta och formeln ovan omvandla EV till Radiometrisk Instrålning [W/m²]. Formeln förklaras i bilaga 2.

2.1.7 Globala strålningen

Globala strålningen anges mot en horisontell yta [W/m2]. Globala strålningen är både den direkta solstrålningen men även det diffusa himmels och markstrålningen (se bild 3).

Pyranometern mäter den Radiometriska strålningen. EV-mätare som mäter den fotometriska strålningen. Båda mätarna har en kupol för att fånga upp strålningen. Mätarna måste vara horisontella vid mätningen. [KAU 1] Detta är särskilt viktigt på pyranometern då dess upplösning är väldigt snäv [@ 9]. Upplösningen kan vara 1 [W/m²]. Pyranometern i bild, [@ 10] har ett vattenpass och ställskruvar. EV mätaren är inte i behov av ett vattenpass för mätning då upplösningen är 0,1 EV steg. Mätaren skall dock hållas med ögonmått så horisontellt som möjligt vid ljusmätningen.

Glastillverkare anger glasdata då solstrålningen är vinkelrätt mot glaset ([9] sid-20).

Bild 3 Visar Globalinstrålning som är lika med totalinstrålningen mot en horisontell yta

12

2.1.8 Instrålningsvinkel Solens Sinuskurva

Bild 4 Visar solens vandring över himlen i form av en sinuskurva under ett dygn 21 juni, plats polcirkeln.

Den globala instrålningen, (Globalinstrålningen: Totalinstrålningen mot en horisontell yta) [1] (sid-106) är beroende av solhöjden mätt i grader, (se bild 4). När solen går ner och upp är solhöjden 0°. Vid lunchtid står solen som högst och då är instrålningen som störst.

Om vi befinner oss vid ekvatorn och solen står i zenit då är solhöjden 90°, och infallsvinkeln mot markplanet 0°.

Solinstrålningens intensitet är alltså beroende av infallsvinkeln vi har mot en yta. Av detta förstår vi att solfångaren skall riktas mot solen i så rät vinkel som möjligt, för att bli så effektiv som möjligt.

Intensiteten av solljus i rät vinkel mot en yta, är dock lägre i karlstad än den är vid samma förhållande vid ekvatorn.

Orsaken är att ljuset måste passera ett tjockare luftlager, (pga. infallsvinkeln) innan det når solfångaren i karlstad.

Bäst är alltså om solljuset faller i rät vinkel mot solfångaren, i samma riktning som normalen till dess yta. Det gör dock inte så mycket om ljuset avviker några grader från normalen.

Max rekommenderade avvikelse från normalen är cirka 25°, då instrålningen varierar med cosinus för infallsvinkeln. En sådan avvikelse ger en måttlig minskning av instrålningen, mindre än 10 % [1] sid-107. Notera att de 25° gäller solinstrålning mot en yta, vi har här inte tagit hänsyn till vad dessa 25° har för effekt i form av reflexförluster i täckglaset.

13

Bild 5 Visar solhöjden i grader vid olika datum på året i Stockholm breddgrad 59°

Solhöjden (se bild 5) gäller Stockholm, som dock ligger på samma breddgrad som Karlstad, 59°. Den exakta solhöjden skiljer något mellan de båda städerna, men skillnaden är måttligg.

Om solfångaren är monterad på ett hustak som vätter mot söder, klockan 6 på morgonen och 18 på kvällen kommer solens strålar att vara parallella med taket, och solfångaren tar inte upp någon energi.

Bild 6 Visar solintensiteten som en funktion av solhöjden i grader, samt solfångarens vinkel mot solen.

Bilden ovan visar att vintertid när solen står lågt kan man tjäna mycket på att hålla solfångaren vinkelrät mot solen. Även sommartid kan man tjäna en del, framförallt om solfångaren följer solen från kl 6 till kl 18 på kvällen då solen har en höjd på 30° (se bild 6).

14

2.1.9 Beräkningsteori för framtagande av Verkningsgrad Solhöjd och instrålningsvinkel

Bild 7 Visar infallsvinkel mot markplanet i jämförelse med teoretiskt tänkt vinkelrät plan

Instrålningsvinkeln (i) är 90° minus Solhöjden i grader. PEffekt den effekt en viss solfångaryta kan ta upp. Längden (l⊥) och bredden (b⊥) är måtten på täckglasets genomsynliga area, Arean (A) är det vinkelräta täckglasets projektion mot markplanet. (S) är instrålning mot markplanet, (S⊥) är instrålning mot vinkelräta planet.

Instrålning, intensitet (S eller I): den mängd strålningsenergi som infaller mot en yta per areaenhet och tidsenhet. Enhet W/m². Intensiteten mäts med en Pyranometer. [1]

Instrålning mot respektive area:

A

S = P

⊥

⊥ = A S P

Belyst area: A_⊥ =l_⊥*b A=l*b

Bild 7 ger: i l

l^⊥ =cos

Slutligen fås formel:

S = S

_⊥

* cos i

S

⊥ = Pyranometerns uppmätta värde (Totalinstrålningen)

S

= SMHI,s värde (Globalstrålningen = Totalinstrålningen mot en horisontell yta) SMHI,s Pyranometer mäter Totalinstrålningen, men de anger instrålningen Globalt. Det betyder att värden från SMHI först måste räknas om innan de kan användas. KAU,s Pyranometervärden behöver inte räknas om utan kan användas direkt.

15

Verkningsgrad

W_n = nyttig energi = uppsamlad termisk energi i vatten under tiden Δt W_n = m * c * ΔT

Där

m = vattnens massa

c = specifika värmekapaciteten för vatten = 4190 J/(kg*K) ΔT = temperaturökningen under tiden Δt

W_i = tillförd energi = från solen instrålad energi under tiden Δt W_i = I * A * Δt

Där

I = instrålning I W/m² (mäts med Pyranometer)

A = absorbatorns area (täckglasets genomsynliga del har samma area som absorbatorn) Δt = tid i sekunder

e = verkningsgrad

i n

W

e = W

[@ 1]

16

2.2 Material

2.2.1 Täckglaset

Denna punkt blir ganska omfattande. Orsaken till det är att huvudmålsättningen med detta arbete är att försöka höja verkningraden på dagens solfångare. Idén är ju att hitta ett täckglas som ger solfångaren en bättre verkningsgrad. Tanken är att i det praktiska experimentet, finna en glaskombination som hittar den bästa balansen mellan in och utstrålning. Alltså hitta ett maximum av instrålande korta vågorna, och ett minimum av de utstrålande långa vågorna..

Nedan följer en genomgång av glasmaterielets egenskaper och de parametrar man måste ta hänsyn till i en specifik glaskonstruktion.

Begreppsexersisen som nu följer beskriver fönstersystem och kan inte direkt översättas till att gälla solfångarens täckglas, men den kan beskriva glasmaterialets egenskaper.

Glasets värmeisolerande förmåga

Glasets värmeledningförmåga, (värmekondtivitet λ ) är λ = 1 w/m*k. Det är betydligt högre än för isoleringsmaterialet Gullfiber som har λ = 0,04 w/m*k. Dessutom har glas liten tjocklek.

Vill man att glaset skall få bättre värmeisolerande förmåga får man bygga ett glassystem med flera glasskivor (skikt), med en viss distans mellan de olika skikten. Värmeförlusten från ett rum genom strålning, konvektion (strömning) och ledning (konduktivitet), kan då minskas med ett sådant glassystem. De ovan nämnda begreppen kan sammanfattas till totalbegreppet Värmeöverföring.

De tre Värmeöverföringssorterna

Strålningsförlusten kan minskas om glasytans emissivitetsfaktor minskas, detta beskrivs mer ingående när glassorterna behandlas.

Bild 8 visar de tre värmeöverföringssorterna. Källa: Bygga med glas (ISBN 91-631-7680-7)

17

Värmeisolering genom Konvektion och Ledning

Värmeöverföringen genom konvektion och ledning i luftspalten mellan glasskivorna har att göra med mediets temperatur, densitet, dynamiska viskositet, konduktivitet samt specifik värmekapacitet.

Man kan förbättra spaltens värmeisolerande förmåga i ett isolerglas, (se glassorter ) genom att ersätta luften mellan skivorna med argon eller kryptongas. Den bästa spaltbredden mellan skivorna med hänsyn till minsta värmeöverföring är för argon 15-16 mm, och för

krypton 9-10 mm.

Solenergin i samverkan med Glasskivan

Solstrålarna som träffar glaset kommer att transmitteras, absorberas och reflekteras (Se Bild 9). De samband som finns mellan dessa tre fysikaliska storheter kan sammanfattas i följande formel.

I = R + A + T Där:

• I = Instrålningen

• R = Reflexionen

• A = Absorptionen

• T = Transmissionen (direkt)

Dessa värden kan anges i % eller i decimaltal (fraktil).

Den strålning som absorberas i glasskivan omvandlas till värme i glaset, och avges sedan i form av sekundär transmission både inåt och utåt. Sekundär transmission är både sekundärstrålning och konvektion. Om man adderar den primära och den sekundära transmissionen från innerglaset till rummet, får man den totala soltransmissionen. Värdet man får är solfaktorn, vilken betecknas med (g).

Bild 9 Glasskivans optiska egenskaper

U-värde

U-värde eller (K-värde, äldre beteckning), är ett mått på den värmemängd som passerar en yta. En korrektare definition lyder: [8 sid-142] U-värde anger den värmemängd som per tidsenhet passerar 1m² av konstruktionen då temperaturskillnaden mellan begränsningsytorna är 1 K. Man kan säga att U-värdet beskriver konstruktionens värmeisolerande förmåga. Ur energibesparingssynpunkt då är ett så lågt U-värde som möjligt ett bra värde. En normalisolerad vägg i Sverige har ett k-värde på 0,15-0,30 W/m²K. Ett kopplat tvåglasfönster har ett värde på 3,0 W/m²K.

18

Infallsvinkeln mot glasskivan

Bild 10 Visar Infallsvinkeln (i) Källa: Bygga med glas (ISBN 91- 631-7680-7)

Värdet på de ovan givna storheterna R, A, T, g, beror på vilken Infallsvinkel instrålningen har mot glasskivan.

Infallsvinkeln (i) mäts från normalen till glasytan, (se bild 10).

Glasdata i standardtabeller anges med utgångspunkten att i = 0°.

Exempel:

• R = 31 %

• A = 30 %

• T = 39 %

• g = 0,44

Notera att solfaktorn (g) är större än (T), men det beror på att i (g) ingår även den sekundära transmissionen som härstammar från absorptionen (A) i glaset. T är den direkta

transmissionen och som man kan se i exemplet så bidrar den mest till den totala

soltransmissionen in i rummet. Transmissionen in i rummet är som störst vid i = 0° och avtar om instrålningsvinkel ökar. Vid i = 90° är transmissionen noll

19

Solstrålningens fördelning

Den totala solstrålningen som faller in mot jorden är lika med arean av fältet under kurvan, (se bild 11). Den vertikala axeln anger vilken intensitet strålningen har, och den horisontella anger strålningens våglängd. Det synliga ljuset, (gult fält i bild 11) har andelen 55 % av den totala strålningen. UV-strålningen har 4 % och resterande 41 % är IR-strålning.

Den totala solstrålningen håller sig inom våglängdsintervallet 280-2500 nm. Av detta intervall har UV-delen 280-380 nm, Ljuset 380-780 nm och slutligen IR 780-2500 nm.

Glaset kan inte släppa igenom de allra kortaste våglängderna av UV-strålningen, men våglängder från 315 nm upp till våglängder på 4000 nm kan passera glaset. Den kortvågiga IR-strålningen kan släppas in men strålning över 4000 nm, (Rumsvärmestrålning) kan inte släppas ut. Glasskivan är därmed opakt, (ogenomsläpplig) för rumsvärmestrålningen.

Värmestrålningen i rummet kan inte transmitteras ut genom glaset, utan endast absorberas av glaset eller reflekteras tillbaka in i rummet.

Värmen som absorberas av glasskivan kommer sedan att avges genom lågtemperaturstrålning, konvektion och ledning. Denna egenskap är det som kallas växthuseffekten.

Bild 11 Visar solstrålningens fördelning av de olika våglängderna som faller in mot jorden.

Bilden visar också det våglängdsintervall som kan passera genom en glasskiva, samt de våglängder som inte kan det.

20

Glassorter

På marknaden finns ett fåtal stora tillverkare av planglas. Producenterna har alla relativt likvärdigt produktsortiment, det är väldigt lite som skiljer sig åt mellan de olika tillverkarna.

Det som dock skiljer sig åt väldigt mycket är hur företagen presenterar sig på nätet, och hur mycket fakta de delar med sig av.

Pilkington är ett företag som är väldigt generös med tabelldata över deras produktsortiment, men även med allmän information om glas och dess egenskaper. De planglas som nedan beskrivs är därför pga., ovan nämnda, samtliga hämtade från Pilkingtons sortiment. [@ 14]

Planglas Floatglas

Vanligt fönsterglas, (Floatglas) är basmaterialet som används till de olika glassorterna.

SS-EN 572 Byggnadsglas-kalk-sodasilikatglas. [@ 6] Glaset innehåller en del föroreningar som ej är önskvärda, främst kromoxid (Cr2O3) och järnoxid (FeO). Dessa ger glaset en svagt grön färgton. Om man vill minska på den gröna färgtonen, kan man tillsätta selen vilket färgar blandningen rosa, samt koboltoxid. Kobolt ger glasblandningen en blå färgton.

I vanligt floatglas låter man den svaga gröna färgtonen vara kvar Pilkington Optifloat Clear – Vanligt floatglas

Namnet på glaset innehåller (Clear), glaset har dock en svagt grön färgton. Tonen är inte möjlig att upptäcka på en så tunn glasskiva, men om man tittar på glaskanten så ser man att glasets har en grön färgton.

Pilkington Optiwhite – Extra klart floatglas

Pilkington Optiwhite är ett extra klart glas som är fri från det vanliga floatglasets gröna ton (se bild 12). Enda sättet att skilja dessa glas åt är att jämföra de båda genom att studera kanterna. Vid tillverkningen har man renat glaset från föroreningen järnoxid, och därmed minskar den gröna färgton som är typisk för floatglas av standardtyp.

Eftersom Optiwhite har hög transmission genom hela solenergispektrat, kan det vara ett lämpligt täckglas till en solfångare (se bild 13). Arean under kurvorna till de olika sorterna representerar det energiflöde som kan transmitteras genom glaset. Kurva 1 är Optiwhite och kurva 2 är vanligt floatglas. Pilkington Optiwhite släpper in mer energi än vanligt glas, den extra energin motsvaras av det rödmarkerade fält som ligger mellan kurva 1 och 2.

Bild 12 Visar sklidnaden i färgton mellan två glassorter

21

Bild 13 Visar soltransmissionen för fem olika glassorter, arean under en vald kurva motsvarar den energimäng som glaset kan släppa igenom. Källa: Pilkington

Pilkington Aktiv – Självrengörande glas

Pilkington Aktiv är ett glas som tillhör gruppen SS-EN 1096 Belagda glasdefinitioner och klassificering. [@ 6] Glaset har en ytbeläggning av titanoxid som fungerar som en katalysator.

När glaset träffas av dagsljus startar en kemisk process som löser upp smutsen på glaset. Även detta glas kan med fördel används som täckglas till solfångaren.

Titanoxiden kan läggas direkt på Pilkington Optiwhite, och därmed får man ett glas som är både självrengörande och fri från järnoxid.

22

Glassystem

Energsparglas – Lågemissionsglas (LE)

Energisparglas (LE glas), är en glassort som i huvudsak används som en del i ett glassystem, därför är denna sort integrerad i punkten Glassystem.

IN I

Energisparglas finns i två sorter. Pilkington Optitherm SN med mjuk ytbeläggning, och Pilkington K Glass en med hård ytbeläggning. Den mjuka används till isolerglas, (se bild 14) och den hårda till kopplade fönster (se bild 15). Kopplade fönster har inte hermetiskt tätt förseglat mellanrum. Fördelen med den mjuka beläggningen är att den har något bättre U-värde än den hårda sorten. Fördelen med den hårda beläggningen är att den kan hanteras som vanligt glas, utan risk för repor i skiktet.

Glasets selektiva beläggning skiljer på kort och långvågig strålning. Den släpper in den kortvågiga solstrålningen, men hindrar den långvågiga rumsvärmen från att stråla ut. Ytskiktet värms upp av solljuset men även av rumsluften, vilket också gör att glasytan blir varmare och kallraset vid fönstret minskar, se emissionsfaktorn (ε).

K Glass har sämre U-värde än Optitherm, men K Glass bättre soltransmission än Optitherm har.

Kurva 3 i bild 13 ovan visar Optitherms soltransmissionsförmåga.

Isolerglas

Isolerglas eller förseglat glas som den officiella benämningen lyder, består av två eller flera

glasskivor (se Bild 16). Skivorna skiljs åt av ett hermetiskt tätt förseglat mellanrum.

I mellanrummet mellan glasen finns oftast luft men även Argon och Krypton förekommer. Isoleringseffekten uppstår av två huvudskäl. Ett: Glaset är tätt, därmed uppstår ingen luftström mellan glasen där ny kall luft kontinuerligt ersätter redan uppvärmd luft. Två: Ökat avstånd mellan glasen ger bättre U-värde, men med bredare luftspalt än 25-30 mm ökar konvektionen (se Bild 18) även på förseglade glas. Isolerglas har mellanrum som är mindre än 25 mm därmed bromsas konvektionen. Uppstigande varm luft kolliderar med nerfallande kall luft. Ersättningsgaserna Argon och krypton leder värme sämre än luft, därmed ökas isoleringsförmågan då dessa gaser används. Energiglas kan också med stor fördel användas i konstruktionen då dessa ytterligare förbättrar

Bild 14 LE glas monterad i Isolerglas. Källa: Semcoglas

Bild 16 Treglas Isolerglas.

Källa: Semcoglas

Bild 15 Kopplat fönster med LE

23

isoleringsförmågan hos isolerglaset. Energiglas kan dock endast ersätta ytter och innerglas.

Vid treglas isolerruta kan ej mellersta glasskivan

vara energiglas. ( [11] sid-41) Det beror på att glaset absorberar så mycket värme att värmesprickor kan uppstå då kylningen av det mellersta glaset försvåras.

Bild 17 visar ett dubbelförseglat isolerglas. Isolerglas är hermetiskt tättslutande glas. De har endast egenkonvektion mellan glasskivorna. Egenkonvektion är när mediet mellan skivorna cirkulerar runt utan att ny gas släps in eller ut (se bild 18). Ett icke tättslutande dubbelglas har även den egenkonvektion men den konstruktionen fungerar även som en skorsten. Varm luft stiger mellan skivorna och släps ut högst upp. Ny kall luft strömmar hela tiden in.

Isoleringsförmågan blir därför sämre i ett icke tättslutande glas i jämförelse med en tättslutande glaskonstruktion.

Bild 18 Visar konvektion mellan två glasskivor.

(Egenkonvektion) då luftspalten är hermetiskt tillsluten

Bild 17 Visar ett dubbelförseglat isolerglas

Funktion

Täckglasets har två viktiga huvudfunktioner det ena är skydda solfångaren från väder och vind. Det andra är att isolera så att värmeförlusterna från absorbatorn minskas, men samtidigt minskar även solenergin som kan nå fram till absorbatorn.

24

2.2.2 Solfångarens övriga delar

I praktiken kan man beskriva solfångaren som ett vattenelement (Absorbatorn) som lägges i en låda och täcks över av en glasskiva (se bild 19). Vattenelementet skall dock inte avge värme utan fånga upp den från solen. Det värmda vattnet pumpas runt i det slutna rörsystemet, och ner i en lagringstank, vars vatteninnehåll värms upp Förenklat skulle man kunna säga följande. Vi har ett Vattenelement på taket som fångar upp solvärmen, och ett annat element i badkaret.

När vattnet i det slutna systemet pumpas runt, kommer elementet som badar att värma upp det kalla badkarsvattnet.

Därmed har vi lagrat solenergin i badkarsvattnet

Bild 19 Visar en skiss av tvärsnittet i solfångarn

Solfångarlådan

Funktion

Lådans funktion är att hålla solfångarens delar på plats, samt stå emot väder och vind. Miljön lådan befinner sig är ganska besvärlig. Den utsätts för värme, kyla, UV-ljus, snö och fukt.

Förmågan att klara av fukten är väldigt viktig. Det får inte rinna in vatten som försämrar isoleringens isoleringsförmåga.

Idag byggs lådorna vanligtvis i aluminium, trä och även stål. Trä är lätt att jobba med men en trälåda har svårt för att motstå fukt. En aluminiumplåt som får uppvikta kanter och svetsade hörn, är lätt att få tät. Aluminium har bra motståndskraft mot korrosion. Nackdelen är att aluminium har dålig isoleringsförmåga. Stål har samma nackdelar som aluminium har, samt också nackdelen att stål, har sämre korrosionsförmåga än vad aluminium har. Stål är dessutom tyngre än aluminium är.

25

Absorbatorn Funktion

Absorbatorn är hjärtat i solfångaren. Det är den som skall fånga upp solenergin och värma upp vattnet som cirkulerar i absorbatorn.

Den strålning som träffar absorbatorn omvandlas till största delen till värme. En liten del av den infallande kortvågiga strålningen reflekteras. Absorbatorn skall omvandla den kortvågiga infallande strålningen till värme. Den värmen vill man behålla, man vill inte att

värmestrålningen (Infraröd strålning) skall flöda ut från solfångaren.

Värmen avges inte bara via strålning utan även via konvektion och ledning.

En ideal absorbator överför all den instrålade energin till det värmeupptagande mediet. Mediet är det vatten som cirkulerar genom solfångaren och sedan vidare ut i det slutna systemet för lagring av värmen.

Absorbatorns dilemma är att, ett objekt som är god absorbator är också en god utsändare. Ett objekt som absorberar all elektromagnetisk strålning som faller in mot den, kallas en perfekt svartkropp, (även kallad svartkroppsstrålare).

Man vill att absorbatorn skall vara svart för att den skall absorbera så mycket som möjligt av instrålningen, men man får problem med att behålla energin då den även strålar ut, (emitterar).

Det har tidigare nämnts att, sambandet mellan solfångarens temperatur och energiutbytet har paradoxen, (låg temperatur-hög verkningsgrad-många kWh) och (hög temperatur-låg

verkningsgrad-färre kWh). Förklaringen är att absorbatorn strålar ut mer då temperaturen är högre, det blir mindre energi kvar att ta vara på.

I dag finns på marknaden (selektiva absorbatorer). De absorberar 95 % av solstrålarna, och dess emmisivitet (värmeutstrålning) är 10 %. I princip fungerar det så att den svarta

beläggningen på absorbatorn är så tunn, 7-15 um, att värmestrålningen tror att den möter en blank yta, och en blank yta reflekterar värmen [@ 2].

Isoleringen

Funktion

För att kunna värma upp mediet till temperaturer uppemot 40-45°C vintertid, måste man isolera solfångarna. Främst isolerar man absorbatorns baksida, men även lådans kanter isoleras.

Som isoleringsmaterial kan man använda de flesta i byggbranschen förekommande

isoleringsmaterial. De måste dock vara resistenta mot värme och klara drifttemperaturer på 100°C. Drifttemperaturen hos solfångaren kan vid avbrott i flödet stiga till 100°C. Mineralull är ett lämpligt isoleringsmaterial då den klarar de temperaturer som kan uppstå i solfångaren.

26

2.3 Experiment

2.3.1 Steg Ett

Inledning till Täckglasexpriment

Det praktiska experimentet är i huvudsak inriktad på laboration med olika täckglassystem.

Målet är att finna ett täckglas som släpper in mycket av solenergin, men samtidigt släpper ut så lite värmestrålning som möjligt.

Under denna punkt kommer skribenten att utföra experiment som inte alltid kan verifieras med hjälp av andra källor.

De glassystem som byggs kommer att mätas i huvudsak på två sätt. Ett: Det ljus som råder utanför täckglaset mäts, därefter mäts ljuset under glaset inuti en testlåda. Skillnaden mellan dessa värden är det ljus som glasskivan filtrerar bort. Dataprogrammet glas 04 ger solfaktorer för glas som är vinkelrät mot ljuskällan. Programmet och ljusmätningarna används i sökandet efter bästa solfaktor.

Två: En värmeplatta monteras i testlådan, temperaturen mäts på plattan i den isolerade lådan, samt på glasytan yttersta glaset, Om ytterglaset får en låg yttemperatur så blir den godkänd.

För att minska på antalet kombinationer som kan testas med temperaturgivare, kommer skribenten först grovsålla med hjälp av U-värdena i dataprogrammet glas 04. [@ 14]

De mätdata som experimentet i steg ett ger kommer inte att redovisas under resultat. Värdena är bara till för att skribenten skall kunna göra en bedömning över vilka glas som verkar lämpligast. Mätdata följer dock med som bilaga 3.

De glassystem som bedöms som vinnare går vidare till steg två för att byggas i full skala.

Med full skala menas att de får de mått som solfångaren som finns på KAU har. På KAU körs solfångaren med ett vanligt täckglas, och därefter med skribentens konstruktioner.

27

Isolerglas med Vakuum

För att kunna behålla vakuumet mellan skikten limmades en bilventil in i distanslisten, (se bild 20). Ventilen vändes så att den tätade mot trycket utanför glaset. Ventilen är av den typ som monteras direkt i bilfäljen (slanglösa däck). Som vakuumpump användes cykelpump och bildäckspump. Packningen i pumparna vändes för att skapa undertryck istället för övertryck.

Den ombyggda cykelpumpen testades i en lös ventil. Fjädern i ventilen (se bild 20), var för stark för cykelpumpen, men det kunde kännas att undertrycket hjälpte till att deformera fjädern. Fjäderns tätningskraft avtog markant när vakuum skapades i pumpen.

Bild 20 Visar bilventil odemonterad

Orsaken till att pumppackningen inte klarade av att skapa vakuum var att den inte fick samma stöd av stången då den vändes. Skribenten kunde känna att fjädertrycket avtog av

vakuumsuget men klippte ändå bort fjädern (se bild 22), för att istället låta den konade ventilen påverkas av tyngdkraften vid start av vakuumskapandet. Därefter var tanken att atmosfärstrycket skulle stå för tätningen mellan ventil och ventilsätte (se bild 22).

Bild 21 Visar demonterad ventil

28

Bild 22 Visar demonterad och avklippt ventilhatt

Isolerglaset ställdes upp och vakuumindikatorn (se bild 23) indikerade på att vakuum mellan skivorna verkligen skapades. Vid start var indikatorn löst uppblåst vid bildtillfället hade indikatorn ökat sin volym med minst det dubbla. Vid förseglingen av glasskivorna rådde samma tryck i indikatorn som mellan skivorna. Därefter skapades undertryck mellan skivorna och tryckskillnaden gjorde att indikatorn ökade i volym.

Bild 23 Visar vakuumindikator som ger utslag

29

Bild 24 Visar nedböjningen av glasskivan

Tryckskillnaden som uppstod deformerade glaset (se bild 24).

Om man försöker använda tummstockens skala i bilden och uppskatta nedböjningen i

glasskivan, ser det ut som en nedböjning på 10 mm. De optiska effekterna i glaset luras dock lite i verkligheten var nedböjningen ca 5 mm.

Glaset lades därefter på långtidsförvaring för att se hur lång tid det tar innan synlig förändring sker.

Isolerglas utan Vakuum

Fyra stycken isolerglas utan vakuum har byggts (se bild 25). Samtliga har distanslist på 12 mm mellan skivorna. Glas 1 och 4 har Låg Emissionsglas och där är ytskiktet vänd inåt mot luftspallten.

Bild 25 Visar de isolerglas som testas i steg ett

Isolerglas 1 är av typen 2*2*LE. Det betyder 2st 2mm tjocka glas och ett Låg Emissionsglas som är 4mm tjock.

Isolerglas 2 är av typen 2*2*2*2. Det betyder 4st 2mm tjocka glas Isolerglas 3 är av typen 2*2*2. Det betyder 3st 2mm tjocka glas

Isolerglas 4 är av typen 2*LE. Det betyder 1st 2mm tjockt glas och ett Låg Emissionsglas som är 4mm tjock.

30

Ljusmätning av isolerglas samt enkelglas

Ljusmätningen sker i en kvadratisk testlåda som är svartmålad invändigt och försedd med svart tyg, vilken fungerar som en ljustät sluss (se bild 26).

Bild 26 Visar testlåda för ljusmätning av täckglas

Isolerglasen och enkelglasen mättes med horisontellt glasskiva, men mätning gjordes även med glasskivan riktad vinkelrät mot solen. Mätningen utfördes först utanför täckglaset och därefter under glasskivan. Skillnaden mellan de två mätvärdena är den strålning som glaset filtrerar bort. Mätpunkten under glaset ligger lite lägre ner, kanterna på lådan skuggar därför bort en del ljus. Mätning utan glasskiva gjordes i de två mätpunkternas olika positioner, skillnaden blev 0,1 EV-steg. Denna skillnad räknas därför bort då mätning med glas utförs.

De enkelglas som ingår i ljusmätningen är av samma typ som isolerglasen är uppbyggda av, fast med olika tjocklekar. Alltså typen är vanligt float glas och Låg Emissionsglas (LE).

Tjocklekarna på enkelglasen är:

LE 4mm. Float 2mm, 3mm, och 4mm.

En mätning gjordes av en glassort som kallas värmeglas. Glaset kommer inte att användas, men mätning gjordes som en reservutväg om termosprickor skulle uppstå, då kan ett glas ersättas med ett värmeglas. Härdat glas är det man försöker med först som skydd mot termosprickor, men i extremfall tar man till värmeglas. Värmeglas är dock lite tonad och filtrerar därför bort lite mer av solenergin. Härdat glas har samma optiska egenskaper som icke härdat har.

31

Yttemperaturmätning av isolerglas samt enkelglas

Samma låda som användes till ljusmätningen användes till temperaturmätningen av

täckglasen. Lådan byggdes dock om lite (se bild 27). Lådan isolerades med frigolit, en lampa med 40 Watt,s effekt monterades i botten. Lampan var av reflektortyp. När lampan tändes kunde man känna strålningsvärmen direkt, även innan lampan fått en högre temperatur. Ingen strålningsvärme kunde kännas mot frigoliten under lampan.

Bild 27 Visar värmelådans insida

En svart plåt monterades, samt en yttempgivare på plåten rak ovanför lampan (se bild 28).

Avståndet mellan lampan och plåten var 50 mm.

Bild 28 Visar värmelåda med plåt och temperaturgivare

Täckglasets yttemperatur mättes med en IR-mätare. Mätningen gjordes rakt ovanför lampan.

Temperaturmätningen gjordes i horisontellt läge av testlådan. Omgivningens

temperatur var rumstemperatur. Avståndet mellan plåten och täckglaset var 40 mm. Plåtens yttemp mättes och även yttempen på utsidan av trälådan.

32

2.3.2 Steg Två

Tre glas kommer att testas i full skala på KAU,s solfångare. Det ena är ett tvåglas isolerglas (3*LE), floatglaset är 3 mm. Det andra är ett LE glas 4 mm. Det tredje är ett vanligt 3 mm,s floatglas.

På solfångaren monterades en träram som täckglasen kan läggas i. Solfångarens eget

enkelglas köres med denna träram på, därefter köres skribentens glassystem ilagda i träramen.

Ramen isoleras med 12 mm liggunderlagsmaterial. Isoleringen tejpas runtom och även mot glaset. De mätningar som gjordes synes i tabell 2.

Tabell 2 Visar de mätningar som gjordes av de tre fullskaliga täckglasen

2007-05- Tid Flöde

Lit/min

1 Pyr [W/m²]

2 Ute temp

°C 3 Glas- KAU temp

°C 4

Baksida tem °C

5 Vatten IN °C

6 Vatten UT °C

7

Glastillägg Insida °C

8

Glastillägg Utsida °C

EV Glob / Direkt

EXEMPEL

12,00 1 755 14,3 38,9 17,6 16,4 24,4 29,2 20,1 14,9/15,3

Glas-KAU är ett 4 mm vanligt floatglas. Glaset sitter kvar i solfångaren under alla testkörningarna. Tempgivaren på Tillägsglaset utsida tenderade till att visa galna värden.

Givaren sa att glaset var över 40°C. Lös IR mätare visade ca 20°C. Skribentens kände på glaset och ansåg att glaset var närmare 20 än 40°C.

Givaren testades mot känd värmekropp (armhåla) och då gav den rätt värde. De övriga yttemperaturerna verkade stämma när de testades med Ir mätare och hand. Punkt 8 i tabellen mättes därför med lös IR mätare de övriga med dataloggens temperaturgivare.

De värden som är viktigast är, värdena som pyranometern gav, vatten in och vatten ut.

Av sekundärt intresse kan EV värdena räknas. EV Direkt mot sol kan dock vara av större intresse då detta värde är vinkelrät mot solen. Solfångaren kommer under alla testkörningar att vara i stort sett vara riktad vinkelrät mot solen. Man fångar upp mer energi från solen om solfångaren kan hållas vinkelrät mot solen. EV mätaren kan ge en hint på plats om vilken instrålning det kan handla om.

33

Testkörning av solfångare den 15 maj

Testkörningen den 15 maj kan betraktas som ett misslyckande, vad gäller att få fram en riktig analys av testvärdena. Orsaken är dels för många parametrar som varierade, men även

skribentens ovana vid utrustningen. Testningen pågick från 9.00 till 12.10. Temperaturen i skuggan var ca 15º. Skribenten böt glassort för ofta. Flödet varierades för mycket. Till detta kom att moln varierade instrålningen. Pyranometer är fäst vid solfångaren. Det betyder att den måste ställas i våg var gång solfångaren vrids efter solen. Vattenpasset skall läggas på

pyranometern som därmed blir mörklagd, dataloggen gav därför värden som dök upp och ner var gång solfångaren vreds efter solen. Denna dag kördes solfångaren utan isolering kring ramen. Glaset låg endast mot gummilist. Molnen varierade solinstrålningen väldigt mycket.

Strax före 12.00 var instrålningen ca 950 W/m² men molnet (se bild 29) minskade det till 143 W/m². Glassorter som testades var (3*LE) och 4 mm av LE typ. Dessa vändes också med energiskiktet både inåt och utåt på båda glasen.

Bild 29 Visar hur stor inverkan ett stackmoln har på solinstrålningen

34

Testkörning av solfångare den 16 maj

Den 16 maj testkördes isolerglaset (3*LE). Isolerglaset testades mellan kl: 10,30 och 13,00.

Temperaturen i skuggan var ca 17º. Därefter lyftes glaset av och testet fortsatte sedan med solfångarens egna enkelglas. LE skiktet placerades innerst. Glaset testades ända fram till den tidpunkt på dagen då solinstrålningen var som starkast.

Vädret var stabilt denna dag. Skribenten vill slippa problemet med pyranometerns inställning var gång solfångaren vrids. Pyranometern monteras därför på ett fristående stativ och flyttas ej under dagen (se bild 30).

Bild 30 Visar Pyranometern på fristående stativ samt isoleringen runt glasramen

Pyranometern och EV mätarens uppmätta värden följs åt under dagen. De stämmer bra överens även med de teoretiskt framräknade EV värdena. Skribenten gör även mätningar Vinkelrät mot solen med ljusmätaren. Dessa värden omräknade till instrålning ger över 1000 W/m². Det som var förbryllande var att de båda mätarna som har följt varandra värdemässigt så bra slutar att göra det. När pyranometern stabiliserar sig på 1000 W/m² fortsätter EV mätaren att öka sina globala värden.

35

Skribenten väljer att lita på EV mätaren. Det gör han av följande orsaker. Pyranometern har väldigt hög upplösning 1 W/m². Under dagen när värdena ökar ser man vid manuella avläsningar att värdena pendlar några få W/m2 upp och ner, värdena ligger sällan helt stilla.

Mitt på dagen när pyranometer visar 1000 W/m² ligger värdet still i ca tio minuter (se bild 31).

Skribenten misstänker att pyranometern har uppnått sitt maximum av strålning den kan mäta.

Ett exempel på mätområde är upp till 1500 W/m² [@ 9] och upplösning är 1 Wm². Skribenten trodde då i sin enfald att alla pyranometrar låg i samma område. Vid manuell avläsning av dataloggen visades 1000 W/m². Vid avläsning av loggvärdena visades värdet, Overflow.

Skribenten stötte på samma värde vid mätningarna den 15 maj men trodde då att detta fel berodde på alla påtvingade inställningar av den då mobila pyranometer.

Vid avslutande mätning för dagen, lutade skribenten pyranometern vinkelrät mot solen och fick då värdena, före 910 W/m² och efter 1000W/m². Endast sju sekunder skiljer mätningarna åt (se bild 31). Vid det successiva lutandet steg värdet och stannade på 1000 W/m² innan mätaren var helt vinkelrät mot solen. Även detta tyder på att mätaren har sitt maximum vid 1000. Källan [KAU 1] bekräftar skribentens misstankar om att 1000 W/m² är mätarens maximum.

Bild 31 Visar hur pyranometern når sitt högsta mätbara instrålningsvärde

36

Testkörning av solfångare den 23 maj

Den 23 maj testkördes täckglaset (3mm). Temperaturen i skuggan var ca 19º.Glaset testades mellan kl: 10,50 och 13,15. Därefter lyftes glaset av och testet fortsatte med solfångarens egna enkelglas fram till kl: 14,55.

Vädret var soligt med endast enstaka cumulusmoln, (stackmoln). Pyranometern gick i botten (1000 W/m²), flera gånger under dagen mellan Kl: 11.00 och 15.00.

Testkörning av solfångare den 24 maj

Den 24 maj testkördes täckglaset (LE). Temperaturen i skuggan var ca 15º. Glaset testades mellan 10,15 och 12,05. Därefter lyftes glaset av och testet fortsatte med solfångarens egna enkelglas fram till kl: 12,05.

Det var lite sol i början av testet ca 45 min med värden på 700-800 W/m². Därefter var det dåligt väder med nimbostratusmoln, (regnmoln) resten av testet med värden på 100-200 W/m². Testet avslutades när det började duggregna.

37

Mätning av markvinkeln

För att kunna beräkna verkningsgraderna som de olika täckglasen ger, måste man veta

infallsvinkeln solstrålarna har mot solfångaren.Vi måste ta hänsyn till två infallsvinklar, (imark) och (iglas). Infallsvinkeln (imark) varierar med solhöjden i grader. Solhöjden varierar också under dagen då solen vandrar över himlavalvet. Infallsvinkel (imark) behövs endast då man utgår från Global instrålning. Solfångarens vinkel är 46.5°. Markens lutning är mellan -2,5°

till -1,25° (se bild 32). Markens lutning beräknades med hjälp av en käpp med känd längd och ett vattenpass.

Den marklutning som adderas till solfångarens vinkel är alltså som mest -2,5° kl: 09,00 och som minst med -1,25° kl: 15.00. Solfångaren har testkörts med tre olika testglas, den 16, 23, och 24 maj, därför redovisas endast solhöjder för dessa datum, (se bilaga 4). I bilagan

redovisas solhöjderna för Karlstad, Lat N 59° 22` Long E 13° 27` [@ 12]. Solfångaren vreds under alla testdagarna i horisontalplanet (markplanet) var tredje minut. Solfångaren följde därmed solens förflyttning från öst till väst.

Bild 32 Visar Markens lutning och solens riktning vid olika tidpunkter

38

3.Resultat

3.1 Vakuumglasets långtidsförvaring

Glaset lades på långtidsförvaring för att se hur lång tid det tar innan synlig förändring sker.

Risken var att ventil eller tätningen mellan skivorna sakta skulle släppa in luft.

Det tog ca 20 minuter innan plötslig tryckutjämning skedde (se bild 33). Glaset imploderade pga, övertrycket utanför glaset. Vakuumglaset i denna utformning med endast 3 mm tjockt glas är inte möjlig att använda.

Bild 33 Visar resultatet av långtidsförvarat vakuumglas

39

3.2 Solfångarens Verkningsgrad

Tabell 3 Visar beräkningsresultat av verkningsgraden den 16 maj

16 maj 2007 Temp 17º Täckglas

Area =

0,949494 m²

Tid (Δt) = 300s

5 min period

S⊥ [W/m²] (i)glas [°] ΔT [°]

Arbetstemp

Hög Medel Låg

·m [kg/Δt]

flödet

e

(3*LE) 11,20-11,25 885 1,21 22,7-51,7 M 0,9 0,4339

(3*LE) 12,55-13,00 975 4,86 24,3-69 H 0,6 0,4061

KAU-glas 14,00-14,05 952 3,35 23,5-68,5 H 0,6 0,4179

Tabell 4 Visar beräkningsresultat av verkningsgraden för 23 maj

23 maj 2007 Temp 19º Täckglas

Area =

0,949494 m²

Tid (Δt) = 300s

5 min period

S⊥ [W/m²] (i)glas [°] ΔT [°]

Arbetstemp

Hög Medel Låg

·m [kg/Δt]

flödet

e

(3 mm) 11,30-11,35 910 3,2 21-45,5 M 1,4 0,5553

KAU-glas 13,30-13,35 970 5,9 24-54,4 M 1,2 0,5561

Tabell 5 Visar beräkningsresultat av verkningsgraden för 24 maj

24 maj 2007 Temp 15º Täckglas

Area =

0,949494 m²

Tid (Δt) = 300s

5 min period

S⊥ [W/m²] (i)glas [°] ΔT [°]

Arbetstemp

Hög Medel Låg

·m [kg/Δt]

flödet

e

(LE) 10,45-10,50 799 0,77 19,7-35,9 M 1,7 0,5071

(LE) 11,55-12,00 180 5,17 16,46-21,98 L 1,4 0,6341

KAU-glas 12,20-12,25 154 5,9 16,01-21,05 L 1,3 0,6291

Arbetstempen är namngivna Hög, Medel, och Låg. Det är bara för att jämförelsen mellan glasen skall göras med liknande arbetstemp på absorbatorn. Detta är naturligtvis inte absorbatorns korrekta abetstemperatur, men det som skiljer från det rätta är lika för båda glasen, och därmed blir jämförelsen mer rättvis. Flödet är angivet för hela mätperioden, (Δt) = 300s och är antal kg vatten under denna tidsperiod.

S⊥ = Pyranometertns värden (Totalinstrålningen) (Används SMHI,s globala värden måste dessa räknas om till Totalinstrålningen). (Se mera bilaga 5).

ΔT = Skildnaden mellan vattentemperaturen in och vattetemperaturen ut ur solfångaren

Arbetstemp = (Hög ca 70º) (Medel ca 45º) (Låg ca 20º) (Namngivna för identifiering) Area täckglas = 0,987*0,692 = 0,949494 m²

(i)glas = Solens infallsvinkel mot täckglaset, (i)glas = 0 är lika med normalen till glaset

e = Verkningsgrad

40

4.Diskussion

4.1 Vakuumglaset

Tanken med vakuumglaset var att tillverka ett isolerglas som dels tar till vara på den isolerande effekt som flera luft/glasskikt ger, men även att förstärka den med hjälp av att minska på mängden luft som innesluts. Luft har dålig förmåga att leda värme, men den försämras ännu mer då vakuum råder. Skribenten försökte få fram en del av den

isoleringseffekt som en kaffetermos har då den nästan har vakuum mellan inner och ytterskal.

I vanliga isolerglasfönster ersätts ibland luften mellan glasskikten med argon eller krypton.

Dessa båda gaser leder värme sämre än luft. I vanligt isolerglas kan man inte suga ut luften och skapa vakuum, för glasskivorna skulle kolappsa av atmosfärstrycket. Skribenten tänkte lägga en form av bikakeraster som distans mellan glasskivorna Materialet skulle vara

plexiglasrämsor. Dessa leder dock värme bättre än luft men cellsystemet stoppar även upp de konvektionsströmmar som uppstår mellan skivorna. Experimentet visar att det är möjligt att med enkla medel skapa undertryck mellan två glasskivor. Under långtidsförvaringen var frågan, hur länge kommer undertycket att bestå. Risken är att ventil eller tätningen mellan skivorna sakta släpper in luft.

Efter ett så oväntat resultat av långtidsförsöket (se bild 33), måste man fundera på vad som kan ha hänt. Enligt källan [9] tål glas korttidslaster bättre än långtidslaster. Glaset uppvisar statisk utmattning över en viss belastningsnivå. Glas klarar utbredd last bättre än punktlast.

20 minuter är ingen lång tid, men troligen är detta ett exempel på en statisk utmattning över en viss belastningsnivå. Vakuumindikatorn ökade sin volym till det dubbla, men det betyder inte nödvändigtvis att trycket mellan skivorna halverades. Gummit i indikatorn fick snabbt kontakt med de båda skivorna, gummiytan som fastnade mot glaset expanderade inte. Endast den fria gummiytan expanderade. Det betyder att luftrycket i indikatorn även måste övervinna elasticiteten i de fria gummiytorna för att expandera.

Som vi tidigare sett på bild 24 är nedböjningen ganska stor. Om detta försök skall leda till att ett glas i full skala tillverkas måste ett bikakeraster med cellbredd på ca 10 cm läggas mellan glasen, eller så måste glastjockleken öka till ca 6 mm. Samma tjocklek som akvarium byggs av. Det som är förbryllande är att glasmästare kan använda sugklockor som sugs fast med hjälp av vakuumpump. Glas som väger över 100 kg kan lyftas med ett sådant verktyg. Det skribenten undrar över, är den belastningen av statisk utmattingstyp. Möjligen kan formen på verktyget ha betydelse på belastningen. Verktyget är cirkelformad med en diameter på ca 20 cm, skribentens isolerglas har kvadratisk form. Därmed kan den utbredda lasten ha fått en ojämn utbredning, och mer övergått till punktbelastning i vissa områden

41

4.2 Tolkning av Ljusmätning av Täckglas

En skillnad på EV 0,2 kan vara 0,21 eller 0,29 strax innan den slår över till 0,3. Trenden är dock som förväntat. I Den horisontella mätningen där reflekteras mer av solljuset bort än i den vinkelräta mätningen.

Den yttre glasskivan reflekterar troligen bort mer än de undre glasen gör. Det betyder att när första glasskiktet tar bort mest av solenergin, så är de undre glasen mindre kostsamma för den totala instrålning som slutligen når absorbatorn. Man bör här betänka att ljusmätaren mäter fotometri, alltså inte UV och IR strålning som ingår i solljuset. Ljuset är dock mest betydande för solfångaren i den Radiometriska strålningen, och glasskivan är mer eller mindre opak för UV strålning. Trenden man får fram med mätningen tyder ändå på att fotometrin och

radiometrin följer varandra energimässigt relativt väl. Som tidigare sagts så är ett EV-steg en halvering eller en fördubbling av rådande ljusintensitet.

Ett stegs minskning vid soligt väder får därför större effekt än vid molnigt väder. Ett steg är dock alltid en halvering eller en fördubblig av utgångsvärde man starar med. Vi skall nu följa mätningen av 3mm floatglas i mätning vinkelrät mot solen. Mätningen gav en skillnad på 0,1 EV

Float 3 mm 14,9 14,7 0,2-0,1 = 0,1

Denna mätning jämförs nu med (bild 34) som är en (Print Screen) av Pilkingtons dataprogram Glas 04. [@ 14] Glaset är av samma typ och 3mm tjock. Glastillverkare mäter sina glas vinkelrät mot solen.

Bild 34 Visar ljus och solenergitransmissionen Källa: Glas 04

Ett helt EV steg skulle innebära en minskning av ljuset till en ljustransmission av endast 50 % kvar in i rummet. Som bilden visar släpper skivan in 90 % av ljuset. Den uppmätta

ljusförlusten verkar därför vara rimlig. Notera att solenergin är något mindre 87 %, ljuset är ju bara en del av solenergin och här filtreras UV bort nästan helt, därför är det rimligt med något lägre värde för solenergin.

Intressant att notera är att glasprogrammet gör skillnad på om isolerglas 2*LE vänds med LE glaset inåt rummet eller om det vänds utåt (se bild 35). Solfaktorn blir här 0,67 med LE ytterst och 0,71 med LE innerst. Skribentens ljusmätare kunde inte mäta någon skillnad vilket

bekräftas av bildens gula pil, men solenergimässigt verkar det ha betydelse, se röd pil.

42

I en så extrem miljö som mellan täckglaset och absorbatorn finns dock risk för termosprickor i LE glaset om detta vänds mot absorbatorn.

Bild 35 Visar hur stor betydelse för solfaktorn glasets orientering har Källa: Glas 04

Om vi försöker oss på en tankemässig rimlighets bedömningar isolerglaset 2*LE,s ljusbromsande effekt. Glaset skall enligt Glas 04 ta bort 25 % av ljuset.

Om det ljus vi har från start får representeras av ett A4 papper och vi minskar med ett helt EV steg. Betyder det att vi river av pappret på mitten, men då har vi tagit bort 50 %. Vi skall bara ta bort 25 %, alltså ett halvt EV steg. Om vi tittar på uppmätt värde så säger den 0,4 EV.

Betänk att 0,4 kan vara 0,49. Alltså det verkar rimligt vi ligger nära ett halvt EV steg. Vän av ordningen undrar nu varför skribenten använder en ljusmätare när glasprogrammet kan räkna ut vad förlusten blir i procent.

Orsaken är att glasprogrammet endast räknar med glasytor som är vinkelräta mot solen. En solfångare som inte följer solen får andra värden, vilket de horisontella mätningarna visar.

43

4.3 Kalibrering vid SMHI,s Solmätningsstation

SMHI,s Pyranometer i karlstad ligger på gamla flygfältet och har koordinaterna, N 59 22 E 13 28. Tyvärr så har SMHI gjort flera felleveranser av mätvärden. Det betyder att

kalibreringen i maj 2007 inte är möjlig att göra.

Kalibrering av EV mätaren och KAU,s Pyranometer mot SMHI,s är dock inte så betydelsefull för att ge svar på målsättningen med detta arbete. Värdena som är levererade är dock

värdefulla för att se hur instrålningen kan variera över en längre period. SMHI har tidigare skickat exempel på värden för februari 2007 dessa värden ger också värdefull information om vilka värden det kan handla om på vintern. Skribenten har också haft stor glädje av dessa värden för förståelsen av solljusets natur och egenskap.

44